上篇詳細介紹了豐田氫能源燃料電池車MIRAI的內部結構，今天我們著重講講MIRAI這套燃料電池系統TFCS(Toyota Fuel Cell System)的工作原理。
燃料電池系統TFCS工作過程
豐田的這套燃料電池系統稱之為TFCS（Toyota Fuel Cell System）。我們根據下面這張圖看一下具體的能量轉化過程。
- 首先，空氣（氧氣）通過車輛前方的空氣壓縮機壓入到燃料電池堆中；
- 在高壓氫氣罐（黃色）中儲存的氫氣也同時輸送到燃料電池中；
- 氫氣和空氣中的氧氣在燃料電池堆中進行反應，產生電能和水；
- 產生的電通過升壓轉換器後，提供給電機，驅動車輛行駛；
- 唯一的產物——水，將通過水管排除車外。
下面的三幅動畫更簡單明瞭的說明這一過程：
新老系統的結構對比
俗話說羅馬不是一日建成，豐田的燃料電池車也經過了很多代的不斷衍化。下圖說明了新老系統在結構上的對比。
新系統TFCS相比之前，在結構佈置上最大的區別是增加了FDC（Fuel Cell boost converter燃料電池升壓轉換器）。目的是為了將電池提供的約220V的電壓提高到650V。這樣可以減少燃料電池堆的電池數量，顯著降低成本並提高可靠性。
以下是系統佈置圖，能更詳細的看出兩者的區別。
TFCS的革新
畢竟是燃料電池車，除了系統佈置上的改進。關鍵部件的革新才是關鍵。
1 燃料電池的化學原理
燃料電池的原理可以用初中生都能理解的化學方程式表示：H2+½O2→H₂O
但電流是怎麼產生的呢？
首先，氫分子被提供到陽極側，由陽極催化劑活化的氫分子釋放它們的電子，釋放的電子從陽極傳播到陰極產生電流；
然後，釋放了電子的氫分子編程氫離子並通過聚合物電解質膜移動到陰極側；
最後，氫離子與空氣中的氧和陰極催化劑上的電子結合成水。
2 電解膜
可以看出，燃料電池是利用氫氣跟氧氣化學反應過程中的電荷轉移來形成電流，這一過程最關鍵的技術就是利用特殊的“電解質薄膜”將氫氣拆分。
因為氫分子體積小，可以透過薄膜的微小孔洞遊離到對面去，但是在穿越孔洞的過程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質子通過，整個過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗，但是更小的灰塵卻可以……
電解質薄膜也是燃料電池領域最難被攻克的技術壁壘。
豐田將電解質膜做的更薄，氣體的擴散性更好，顯著提升了電極響應性能。
3 3D精細網格流道設計
氫氧化學反應後的副產品是水，會在電池的通道中堆積，影響氧氣進入。
豐田採用3D立體精細網格流道技術，提高了排水性能。
氫氣、氧氣及水在電池中的流動過程如下圖所示
4 高壓氫氣罐的改進
作為能源儲存容器，高壓氫氣罐等同於傳統車的油箱一樣。
MIRAI的氫氣罐內的壓力高達70MPa，採用了三層結構，從裡到外分別是：塑料襯裡、耐壓碳纖維增強塑料層、玻璃纖維增強塑料層。
特別是碳纖維層，對氫氣罐的抗壓性能起決定作用。
豐田優化了碳纖維層的纖維纏繞方式，大大提高了氫氣罐的強度。
應力隨纏繞角度的改變：
總結
經過一系列的技術革新，豐田終於成為第一家量產氫能源燃料電池車的廠家。並在成本上、能量密度上、安全及可靠性上都取得了突破性進展。
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